生物技术与环境

第7章生物技术与环境Outline污水处理大气净化固体废弃物的生物处理生物技术与环境污染监测地球总水量13.9亿立方千米，三分之二被水覆盖。咸水97.5%2.5%冰帽和冰川地下水易得的江河湖淡水不到总淡水量1%中国水资源问题：南多北少，东多西少、时多时少、总量多人均少亩均少。水资源问题一.污水处理表示水污染的几个指标：(1)生化需氧量(BOD)：表示在有氧条件下，好氧微生物氧化分解单位体积水中有机物所消耗的游离氧的数量，常用单位为mg／L，这是一种间接表示水被有机污染物污染程度的指标。•在20℃和在BOD的测定条件(氧充足、不搅动)下，以五日作为测定BOD的标准时间，称之为五日生化需氧量，以BOD5表示。(2)化学需氧量(COD)：用强氧化剂——重铬酸钾，在酸性条件下能够将有机物氧化为H2O和CO2，此时所测出的耗氧量称为化学需氧量(COD)。•COD能够比较精确地表示有机物含量，而且测定需时较短，不受水质限制，因此多作为工业废水的污染指标。(3)总需氧量(TOD)：有机物主要是由碳(C)、氢(H)、氮(N)、硫(S)等元素所组成。当有机物完全被氧化时，C、H、N、S分别被氧化为CO2、H2O、NO和SO2，此时的需氧量称为总需氧量(TOD)。1.氧化塘法生物氧化塘(OxidationPond)又称稳定塘，是利用藻类和细菌两类生物间功能上的协同作用处理污水的一种生态系统。氧化塘的净化原理:氧化塘的净化原理是利用了细菌与藻类的互生关系。藻类进行光合作用释放氧气；细菌利用藻类产生的氧气分解流入塘内的有机物；分解产物中的CO2、N、P等无机物以及一部分小分子有机物成为藻类的营养源；增殖的细菌和藻类细胞为微型动物所捕食。氧化塘内的生物学过程藻类细菌衰亡细胞CO2、NH3H2O、PO43－O2流入污水能沉淀的固体处理出水O2风阳光（厌氧性）（兼性）有机物微生物有机酸、醇等微生物CH4＋CO2＋NH3等藻类：位于氧化塘的表层，常见的有：小球藻属、衣藻属、眼虫藻属等。细菌：大量存在于氧化塘下层，在好气状态下，无色杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌等优势生长；在氧化塘底部的厌氧层还有硫酸还原菌和甲烷细菌。微型动物：存在多种原生动物、轮虫、以及甲壳类等。氧化塘内的生物组成2.人工湿地处理系统法湿地：•每年在足够长的时间内均具有前的表面水层,能维持大型水生植物生长的生态系统。人工湿地：•根据自然湿地模拟的人工生态系统，用于处理废水。人工湿地处理系统的优点：•净化效率优于氧化塘；运转费用低；对废水处理厂难以去除的营养元素净化效果好。应用实例：•芦苇湿地处理系统3.污水土地处理系统污水土地处理系统(LandTreatmentSystem)利用土地及其中的微生物和植物根系对污染物的净化能力来处理已经经过预处理的污水或废水，同时利用其中的水分和肥分促进农作物、牧草或树木生长的工程设施。污水土地处理系统的组成污水的预处理设施，污水的调节与储存设施，污水的输送、布水和控制系统，土地处理面积，排出水收集系统。土地处理的净化机理净化机理包括：土壤的过滤截留、物理和化学的吸附、化学分解、生物氧化以及植物和微生物的摄取等作用。土地处理系统要求对污水进行必要的预处理，去除污水中有害物质。土地处理系统是按照全年连续运行的污水处理设施；污灌则是按照农作物的需要进行灌溉。土地处理系统有完整的工程系统并可以调控，其底层防渗系统，有效的控制了污水对地下水可能造成的污染。土地处理系统地面上种植的植物，以有利于污水处理的牧草、林木、青饲料等经济作物为主，不中直接食用的农作物；污灌的土地常以粮食、蔬菜等农作物为主。土地处理系统与污灌的主要区别4.活性污泥处理法活性污泥污水经过一段时间的曝气后，水中会产生一种以好氧菌为主体的茶褐色絮凝体，其中含有大量的活性微生物，这种污泥絮体就是活性污泥。活性污泥是以细菌，原生动物和后生动物所组成的活性微生物为主体，此外还有一些无机物，未被微生物分解的有机物和微生物自身代谢的残留物。根据生物反应器中微生物存在状态(悬浮，附着)可将污水生物处理技术分为活性污泥法(悬浮的有活性的生物絮体)和生物膜法(附着的有活性的生物膜)，及后来的复合式(悬浮，附着)生物处理、技术。基本流程污水→格栅→泵间→沉砂池→初沉池→活性污泥曝气池→二沉池→消毒1.曝气池：微生物降解有机物的反应场所2.二沉池：泥水分离3.污泥回流：确保曝气池内生物量稳定4.曝气：为微生物提供溶解氧，同时起到搅拌混合的作用。曝气系统与空气扩散装置活性污泥反应器来自空压机的空气剩余污泥污泥井混合液回流污泥系统二沉池处理水进水活性污泥法的基本工艺流程出水初沉池曝气池二沉池进水污泥回流污泥剩余污泥活性污泥法的基本流程1.污水中有足够的可溶解性易降解有机物2.混合液中含有足够的溶解氧3.活性污泥再曝气池中呈悬浮状态4.活性污泥连续回流5.及时排除剩余污泥6.没有对微生物有毒害作用的物质进入活性污泥法处理系统有效运行得基本条件活性污泥净化污水的过程活性污泥净化污水的作用是由吸附和氧化两个阶段完成的，活性污泥在与废水初期接触的20～30min内，就可以去除75%以上的BOD，在于活性污泥具有巨大的表面积(2000~10000m2/m3),且其表面具有多糖类粘液层。氧化分解在吸附阶段之后，所需时间比吸附时间长的多，可见暴气池的大部分容积是在进行有机物的氧化和微生物的合成。可降解有机物氧化合成1/32/3无机物＋能量新细胞物质无机物＋能量残留物质80％20％内源代谢厌氧生物处理的特点与废水的好氧生物处理工艺相比，废水的厌氧生物处理工艺具有以下主要优点：①能耗降低，而且还可以回收生物能(沼气)；因为厌氧生物处理工艺无需为微生物提供氧气，所以不需要鼓风曝气，减少了能耗，而且厌氧生物处理工艺在大量降低废水中的有机物的同时，还会产生大量的沼气。②污泥产量很低。③厌氧微生物可以使生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解；对于某些含有难降解有机物的废水，利用厌氧工艺进行处理可以获得更好的处理效果。①厌氧生物处理过程中所涉及到的生化反应过程较为复杂。②厌氧微生物特别是其中的产甲烷细菌对温度、pH等环境因素非常敏感。③厌氧生物处理出水水质仍通常较差，一般需要利用好氧工艺进行进一步的处理；④厌氧生物处理的气味较大；⑤对氨氮的去除效果不好，还可能由于原废水中含有的有机氮在厌氧条件下的转化导致氨氮浓度的上升。主要缺点：5.生物膜处理法生物膜法与活性污泥法均属于好氧生物处理技术。共同特点：是在有氧的条件下，利用好氧微生物来氧化分解污水中可生物降解的有机物。不同之处：微生物在处理构筑物中的生存方式有所不同。生物膜法分为以下三类：1）润壁型生物膜法废水和空气沿固定的或转动的接触介质表面的生物膜流过，如生物滤池和生物转盘等；2）浸没型生物膜法接触滤料固定在曝气池内，完全浸没在水中，采用鼓风曝气，如生物接触氧化；3）流动床型生物膜法使附着有生物膜的活性炭、砂等小粒径接触介质悬浮流动于曝气池中，如生物流化床。生物滤池于1889年在劳伦斯实验厂首先开始研究,1910年后期在美国开始了大规模的应用，20世纪70年代逐步被好氧法代替，随着新型滤料的不断诞生，生物滤池又得到了的改进，应用范围不断扩大。生物滤池生物滤池的构造生物滤池由滤床、布水装置和排水系统三部分组成。池壁滤料布水系统排水系统二.大气净化什么是大气污染物的微生物处理？•指利用微生物的生物化学作用，使大气污染物分解。转化为无害或少害物质。目前主要用来净化有机污染物特别是脱除臭味。废气微生物处理的特点•设备简单、能耗低、不消耗有用的原料、安全可靠、无二次污染等。废气生物处理的两个阶段•污染物由气相转入液相或固相表面的液膜中；•污染物在液相或固相表面被微生物降解。煤炭的微生物脱硫细菌浸出法•利用微生物把煤炭中不同类型的硫分解成可溶性铁盐和硫酸后滤出煤粉。表面改性法•利用细菌的氧化作用或附着作用改变黄铁矿表面性质(疏水性)，提高分离能力，从而将黄铁矿从煤中脱除。微生物对无机废气的处理•微生物对无机废气的处理主要利用一些化能自养菌如硝化细菌、硫化细菌和氢细菌等。•适合于微生物处理的无机废气污染组分主要有：氨和硫化氢。•例如：硫化氢的生物处理微生物对有机废气的处理微生物吸收法(MicroorganismAbsorption)•原理：利用微生物、营养物和水组成的吸收液处理废气，适合于处理可溶性的气态污染物。•装置：由吸收器(物理溶解过程)和废水反应器(生物处理过程)两部分组成。微生物洗涤法(MicroorganismWash)•利用污水厂剩余污泥配制混合液作为吸收剂处理废气，对脱除复合型臭气效果较好。微生物过滤法(MicroorganismAdsorption)•利用含有微生物的固体颗粒吸收废气中的污染物。•包括以下类型：堆肥滤池、土壤滤池、微生物过滤箱吸收设备－填料塔三.固体废弃物的生物处理生物处理就是以固体废物中的可降解有机物或其它组分为对象，利用生物对其作用，转化为稳定产物、能源和其他有用物质的一种处理技术。1、生活垃圾中50~60%是有机物，会腐烂变质，释放臭气，污染环境；会孳生蚊蝇，危害健康。2、粪便、污水厂污泥大部分是有机物，堆放过程中会释放污染物，污染环境。3、农业废弃物基本上全是有机物，倾倒水体中会释放污染物；焚烧会污染大气。有机物是固体废物污染的重要来源有机污染物有必要进行治理有机污染物通常是可生物降解的生物处理是一种很好的途径固体废弃物的分类固体废弃物处理的基本原则：•无害化、减量化、资源化固体废弃物的微生物处理的主要方法：•堆肥法•卫生填埋法•厌氧发酵法(厌氧堆肥化)堆肥化是利用自然界广泛存在的微生物，有控制地促进固体废物中可降解有机物转化为稳定的腐殖质的生物化学过程。根据微生物生长的环境可将堆肥化分为好氧堆肥化和厌氧堆肥化两种。(一)堆肥法[堆肥化]1.好氧堆肥化•好氧堆肥化是以好氧菌为主对废物中的有机物进行吸收、氧化、分解及转化，微生物把一部分有机物氧化成简单的无机物，并释放出能量，把另一部分有机物转化合成为新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体。好氧堆肥化微生物•堆肥中含有的微生物种类主要有细菌、真菌和放线菌，堆肥过程中，随有机物的降解，堆肥微生物在数量和种群上会发生变化。高温阶段会出现较多的真菌。好氧堆肥化过程温度变化规律(1)中温阶段嗜温性微生物比较活跃，主要利用堆肥中可溶性有机物进行繁殖，并释放出能量，温度不断上升。这阶段的微生物主要是细菌和真菌。当堆温升高到45℃以上即进入高温阶段，嗜热性微生物逐渐代替了嗜温性微生物，复杂的有机物如半纤维素、纤维素和蛋白质等也开始被强烈分解。在高温阶段，在50℃进行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌，温度上升到60℃时，真菌停止活动，仅为嗜热性放线菌与细菌活动，温度升至70℃以上时，微生物大量死亡或进入休眠状态。在该阶段后期，由于可降解有机物已大部分耗尽，微生物的内源呼吸占主导作用。(2)高温阶段在此阶段嗜温性微生物又占优势，对残余较难降解的有机物进一步分解，腐殖质不断增多且稳定化。在此阶段，只剩下部分较难降解的有机物和新形成的腐殖质，此时微生物活性下降，发热量减少，温度下降至中温，并最终过渡到环境温度。(3)降温阶段好氧静态堆肥工艺一般采用露天强制通风垛，当一批物料堆积成垛后，不再添加新料和翻堆，直至物料腐熟后运出。缺点是有机物和微生物分布不均匀，局部会发生厌氧。间歇式好氧动态堆肥工艺采用间歇翻堆的强制通风垛或间歇进出料的发酵仓，将物料批量地进行发酵处理。堆肥装置有垛体、长方形池式发酵仓、立筒形发酵仓等。连续式好氧动态堆肥工艺是一种发酵时间更短的动态二次发酵技术，采取连续进料和连续出料的方式进行，物料在发酵装置内处于连续翻动状态下，组分易于混合均匀，形成空隙利于通风、水分蒸发迅速，使发酵周期缩短。堆肥装置有达诺筒和浆叶式发酵塔等。2.厌氧堆肥化•厌氧消化是指在厌氧状态下，利用厌氧微生物，有控制地使废物中可生